不同乙二醇再生回收装置应用对比分析.pdf

作者简介：齐志彬（1988），男，通讯作者，汉族，河北省乐亭县人，工程师，大学学历，工学学士，现就职于中海石油深海开发有限公司，主要从事海上油气生产工作。不同乙二醇再生回收装置应用对比分析 齐志彬 杨 涛 中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519050 摘要：摘要：本文介绍了深水气田开采需要的先进开采技术乙二醇再生回收装置，并着重介绍了目前乙二醇再生回收装置在国内海上气田的应用现状，对各深水气田的乙二醇再生装置进行了对比分析，总结了各套装置的优缺点。为进一步研究乙二醇再生装置相关流程的设计及早日国产化提供了思路。为乙二醇再生回收装置在今后国内深水气田的开发应用提供了借鉴参考。关键词：关键词：乙二醇再生回收装置；深水气田；对比分析 中图分类号：中图分类号：TE866 0 引言 目前国际上划分深水区和浅水区的标准界限一般是水深 300 米，水深在 300 米以内的海域为浅水区，300-1500 米为深水区，大于 1500 米为超深水区。近10 年来中国海上天然气开发开采逐步由浅水区向深水区和超深水区迈进，深水气田和浅水气田在开采中的主要区别是深水气田采用水下采气树进行开采，井流物通过海底管道输送至浅水平台或者浮式平台进行处理，最后再输送至下游用户。高压的天然气在深水海底管道中长距离输送会被周围低温的海水充分冷却，而在高压低温环境中含水份的天然气容易产生天然气水合物，进而导致海管冻堵。为了保障海底管道的流动性，需要在管线中注入水合物抑制剂。目前主要的水合物抑制剂是乙二醇。而乙二醇最大的优点是可以重新回收处理后再使用。本文将着重介绍目前国内目前使用的两种不同设计理念的乙二醇回收装置。1 设计原理 由于深水天然气田的采出水中含有大量的盐离子，这些盐离子分为高溶解度盐和低溶解度盐，高溶解度盐为一价盐，主要包括 NaCl 和 KCl 等，低溶解度盐为二价盐，主要包括 CaCl2、CaCO3、MgCO3、MgSO4、FeSO4和 BaCl2 等。当乙二醇注入深水海管对井流物脱水后，其溶液中的盐分和固体杂质会不断增加，当溶液含盐量达到饱和时，盐便会析出，导致溶液粘度增加，管道和设备遭到腐蚀，故要对乙二醇富液进行再生回收。我国深水油气开发起步较晚，目前国内使用的乙二醇回收装置绝大多数采用国外设计制造。我国南海的深水气田主要是采用全脱盐式乙二醇回收装置和半脱盐式乙二醇回收装置1。乙二醇回收装置的主要工艺流程包括，通过闪蒸工艺去除富乙二醇中烃类，半脱盐式装置在溶液脱烃后通过加注化学药剂生成沉淀物，脱除低溶解度的二价盐，而全脱盐式的装置此阶段不脱除二价盐直接进入下一个流程。溶液进入再生塔通过高温进行脱水处理，之后的流程是通过负压闪蒸原理将乙二醇从盐溶液中闪蒸分离出去，其中半脱盐式装置是一部分乙二醇溶液进入负压闪蒸罐中进行脱盐处理，处理完后与另一部分汇合，从而得到满足注入要求的乙二醇溶液。而全脱盐式装置是全部乙二醇溶液进入负压闪蒸罐中进行脱盐处理。接下来本文对以上两种装置的实际应用情况进行对比分析，两种工艺流程简图见图一2。图 1 半脱盐及全脱盐装置设计思路简图 2 两套装置流程设计 2.1 全脱盐式乙二醇回收装置 来自生产分离器的含烃富乙二醇进入预闪蒸罐，进行闪蒸脱烃脱油处理。之后富乙二醇从偏底部位置进入闪蒸分离塔，塔底的循环泵及加热器保证塔底温度维持在 140，在负压的操作条件下，乙二醇、水份由液态转化为气态，在塔顶 70的温度下，塔内部上下形成了温差，塔中部温度在 105左右，该温度下乙二醇重新冷凝下来，并通过管道输送至下游产品泵及换热器。而水蒸气继续上升，最后从塔顶排出至回流冷凝器重新冷凝至 40，并在回流罐中实现气液分离，液相部分重新回流至塔顶，部分直接去下游水处理装置。回流罐中无法冷凝的气相被真空系统抽走排放。塔底的浓盐水含盐量超过某一数值后，则将其导入离心机脱盐处理，固体盐分被排至溶盐罐与部分塔顶的生产水混合后外排，而离心机分离的液相继续回流至塔底3。全脱盐装置工艺流程简图见图二。图 2 全脱盐装置流程简图 2.2 半脱盐式乙二醇回收装置 来自生产分离器的富乙二醇液体进入预闪蒸加热器加热，再进入预闪蒸罐进行闪蒸脱烃脱油处理，预闪蒸后的富乙二醇溶液进入预处理加热器,将温度提高到 80之后进入预处理罐，罐内的富乙二醇液体与各化学药剂混合，其中二价盐离子与化学药剂生成沉淀物，之后这些沉淀物及富乙二醇液体一起进入颗粒过滤器，过滤器用于除去富乙二醇中的二价盐沉淀物。富乙二醇液体则进入下游乙二醇再生塔用于分离富乙二醇中水份。再生塔底的循环泵与循环加热器确保塔底温度在 120。水份从塔顶挥发至冷凝器，部分水份回流至塔顶保持塔顶温度。之后脱水的乙二醇溶液分为两部分，一部分经过贫富乙二醇换热器继续升温，进入乙二醇脱盐闪蒸罐，而另一部分溶液则不再进一步处理直接流至产品罐。继续处理的乙二醇溶液在处于负压的脱盐闪蒸罐内被加热升温到 140。在此温度下乙二醇气化从塔顶排出，而高溶解度的一价盐则被浓缩后结晶析出，被排放至离心机进行固液分离，固体盐被排放，液体再次回流至闪蒸罐。半脱盐装置工艺流程简图见图三。图 3 半脱盐装置流程简图 3 两套装置的对比 3.1 两套装置设计对比（1）全脱盐装置采用一价盐、二价盐、水份整体一步脱除方法，系统上避免了半脱盐装置中一价盐、二价盐、水份分别脱除的繁琐工艺流程，减少了操作控制点，节省了部分加热器、泵类、过滤器等设备，减少了设备出问题的频率，降低了维护成本。根据对比计算，全脱盐装置共有 8 台换热器，而半脱盐装置有 16 台换热器，半脱盐装置加热器为全脱盐装置的 2倍。（2）全脱盐装置的固体盐结晶固体杂质仅是因为浓缩后而产生盐结晶，其在离心机分离后，与装置排放的水份进行汇合溶解，并经过简单的除油后便可直接排海。而半脱盐装置中的二价盐是通过化学反应的方式进行沉淀的，生成的固体沉淀物无法通过简单的加水进行溶解，同时颗粒滤器在过滤二价盐沉淀物前需要在颗粒滤器滤芯上涂敷一种珍珠岩的粉末物质，这样做是为了更好地过滤掉二价盐沉淀物，但是副作用是二价盐固体及珍珠岩不能溶于水无法就地排放，以上物质需要排放到专门的储罐内送回陆地处理，增加了处理费用及工作量。（3）全脱盐装置中闪蒸分离塔底部进行加热循环的有 2 台塔底循环泵和 2 台循环加热器，且塔底循环泵、循环加热器并非一一对应关系，设计上可实现相互交叉使用，保证了流程设备相互备用程度更高。而半脱盐装置的脱盐闪蒸罐底部也设计有 2 台塔底循环泵和 2 台循环加热器，但是循环加热器及循环泵设计为一一对应关系，无法实现相互之间交叉使用，例如当循环泵出现问题需要检修时，则其对应的加热器也需要下线停用，影响设备的运转完好率。(4)全脱盐装置的闪蒸分离塔为负压操作，压力维持在 20kpa 的绝压状态，此条件下乙二醇的沸点在140、水的沸点在 60，而在常压下乙二醇和水的沸点分别是 198和 100。负压操作下处理乙二醇溶液可节约大量热量，减少分离塔底部加热器的功率，在乙二醇设计处理量达到17m3/h的条件下该加热器可将乙二醇温度从 35加热至 140，加热器功率仅需要8979KW。而半脱盐装置中仅有闪蒸分离器操作压力在20kpa 的绝压状态，而其上游的设备都是常压操作，闪蒸分离器底部加热器的设计处理量为 18m3/h，功率为8824KW。再生塔底部加热器的设计处理量为 19m3/h，功率为 8824KW，但是以上两台加热器仅能将乙二醇溶液从 80加热至 140。导致全脱盐装置和半脱盐装置在基本相同处理量的条件下，半脱盐装置的整体加热功率会大于全脱盐装置。(5)全脱盐装置中的循环加热器采用的是板式换热器，设计上采用的是串联式双通道加热方式，有效的提高了换热效率和换热面积。该换热器采用的材质是奥氏体不锈钢，且含钼量高，故具有极高的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能。该种不锈钢主要用于海水等环境中。半脱盐装置中脱水系统的重沸器采用的是焊接板式换热器，材质采用的钛合金。而脱盐循环加热器采用的是单通道螺旋式加热器，材质采用的是钛合金。由上可以看出，全脱盐装置及半脱盐的加热器基本都采用耐腐蚀的不锈钢，且基本上都是采用的板式换热结构，换热效率较高，耐海水腐蚀性能较好。3.2 两套装置运转对比 全脱盐和半脱盐装置设计时都对处理后的乙二醇溶液的洁净度要求较高，从而避免杂质对水下采气树及水下设备产生堵塞影响。但是由于气井钻完井后残存在井内的杂质较多，在气井投产的初期，经过乙二醇回收装置处理的乙二醇溶液中残存的杂质仍然较多，导致向水下采气树注入乙二醇溶液的注入泵进口滤器脏堵较为频繁，在使用中当滤器压差超过设计值时需要及时对滤芯进行拆卸清洗。在长期的运转中全脱盐装置面临着一些解度较高的盐类或大分子烃类物质等在部分设备内缓慢长期积累的情况。同时由于长时间的高温循环加热，也导致少量乙二醇存在变质问题。变质的乙二醇与以上的盐类或烃类生成难以处理的物质，该物质长期存在系统内部导致部分加热器加热效率下降，不利于乙二醇的再生及净化，因此需要将此类物质转移出系统进行专门处理，从而保障装置的正常运转。在全脱盐装置中闪蒸分离器顶部蒸发出去的水份在冷凝回流器内冷凝下来，但是其下游的回流罐内未设计撇油操作的撇油槽，因此如果长期运转后，可能导致部分烃类物质在回流罐内长期积累存留，不利于系统的运行。这对整个装置的操作精度提出了较高要求，需要操作人员严格控制装置上游的预闪蒸设备，提高该设备中乙二醇与烃类物质的分离效果，从而避免烃类流入下游导致下游设备出现问题。而半脱盐装置中脱水塔顶部蒸发出去的水份在冷凝回流器内冷凝下来，其下游的回流罐内设计有撇油操作的撇油槽，有利于将烃类物质从此处排出系统，从而降低了烃类对系统累积造成的不良后果。全脱盐和半脱盐装置在运转中采用了大量的自动控制逻辑，上游微小的参数变动都会引起下游一连串的连锁反应。因此全脱盐和半脱盐装置对最上游的流程控制有较高的要求。全脱盐装置中的循环加热器的温度控制是由闪蒸分离器液位决定的，而闪蒸分离器液位最终由深水海管来液决定的，如果深水海管来液波动变大，则会导致加热器温度控制不稳定，最终导致闪蒸分离器顶部的外排生产水中乙二醇含量及含油量升高，加大了乙二醇的损耗。4 结论 目前在水气田开发过程中，为了保证在高压和低环境温度下的天然气田的流体安全通过海底管道输送至平台，抑制天然气水合物生成的最优解决方案仍然是乙二醇回收装置，主要是乙二醇回收装置在经济性和环境因素方面有较高的优势。但经过上文的叙述，可以看出不论是半脱盐装置还是全脱盐装置都存在一些需要改进的方面。两种装置在今后设计及建造中注意的方面主要为：（1）乙二醇再生回收流程所面临的较大挑战主要是结晶的一价盐、二价盐会在系统内部沉降结晶，从而导致系统内部结晶盐会逐步积累，导致系统的换热效率下降。同时结晶盐会对系统的管线和设备形成腐蚀作用。因此脱一价盐及二价盐为该装置的重要工艺环节。在设计及设备采购中，需要提前充分分析油气藏地层水中的盐含量及组成成分，确定装置需脱除的盐量。同时在设计时需要尽可能将脱盐设备的循环泵及加热器设计有较大余量，此种方法可以避免部分结晶盐在系统内部沉淀下来影响换热效率。同时在设备采购中要提高要求，设备尽量选用可以耐盐水腐蚀的表面光滑的材质，以及设备选型中尽量采用新型设计，保证结晶盐在设备内部所有位置的流动速度，避免结晶盐在循环泵及加热器内部沉降下来。（2）以上两套装置在处理过程中会损失少量乙二醇，主要原因是预处理过程中过滤颗粒的携带，脱盐处理过程中微量乙二醇随盐溶液排放至生产水处理系统，以及再生流程中被水蒸气携带部分乙二醇。因此，生产过程中要及时添加合格的乙二醇贫液。同时在运行中需要定期且高频率的化验，在发现乙二醇被外排量超标时及时调整运转参数，降低乙二醇损耗。（3）以上两套装置正常生产时需向系统内部添加部分化学药剂，例如氢氧化钠、盐酸等，在运行中需要定期对系统介质取样分析，确保乙二醇再生回收装置内部 PH 值符合要求，避免系统内部 PH 值失衡导致次生的问题。（4）目前世界上仅几十套乙二醇再生回收装置投用，乙二醇回收脱盐技术尚处于发展阶段，最重要的是以上技术大多数被国外公司所掌握，亟需我国科研院校与企业对关键设备进行攻关研制，同时优化工艺流程，在今后的设计及建造中充分吸收以前装置的优缺点，提高装置的运转稳定性。为我国深水气田开发提供技术保障4。参考文献 1贺三,邓志强,杨克诚,袁宗明.乙二醇溶液脱盐工艺应用现状及进展J.应用化工,2019,48(11):2714-2718.2王文涛.海上 MRU 系统关键工艺设计与参数优化D.镇江:江苏科技大学机械工程,2021.3 刘 昱 亮,朱 贵 平,陈 意 皓,程 民 茂.乙 二 醇 回 收 技 术 在 深 水 平 台 的 应 用 进 展 J.油 气 储 运 与 处理,2023,41(2):65-72.4 刘 飞龙,倪浩,曾树兵,姜振 晖.乙 二醇 再生回 收 技术 在海 上平 台的应 用 J.石 油与 天然 气化工,2014,43(2):113-116.